專利名稱：基于非線性一維海面分形模型的電磁散射系數(shù)估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于海面電磁散射系數(shù)估計(jì)的研究領(lǐng)域，涉及一種新的非線性一維海面建模方法和基于這種新的非線性一維海面模型的電磁散射系數(shù)估計(jì)方法。對(duì)于非線性一維海面的建模主要應(yīng)用分形幾何方法，對(duì)于海面電磁散射系數(shù)的估計(jì)主要應(yīng)用KirchhofT近似計(jì)算方法。
背景技術(shù)：
海面電磁散射系數(shù)估計(jì)在海洋表面溫度遙感、海面波譜反演、油膜識(shí)別、艦船目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別等領(lǐng)域已經(jīng)有了越來越多的應(yīng)用，并取得了很好的效果，已經(jīng)成為了研究的熱點(diǎn)。但是在海面電磁散射系數(shù)估計(jì)過程中，由于海面一直處于動(dòng)態(tài)變化中，并且形狀不規(guī)則，這些因素為電磁散射系數(shù)的準(zhǔn)確估計(jì)造成了很大的困難。所以建立準(zhǔn)確的海面模型是我們首先需要解決的問題。波浪是海面上最常見的自然現(xiàn)象。對(duì)海面的建模等價(jià)于對(duì)波浪的數(shù)學(xué)描述。波浪形成所需要的能量主要來源于海面上的風(fēng)。在能量從風(fēng)向波浪的傳遞過程中，海面需要其他外力作用來完成能量的傳遞，重力和表面張力是完成這種傳遞過程的主要作用力。由重力作用完成能量傳遞過程而形成的波浪稱為重力波，一般重力波波長(zhǎng)較大，最大可以達(dá)到 500米，頻率較小。而對(duì)于波長(zhǎng)在毫米數(shù)量級(jí)以下的波浪，這種波浪的形成受重力的影響很小，通?？梢院雎圆挥?jì)，這時(shí)海表面張力成為波浪形成的主要作用力，由海表面張力為主要作用力而形成的波浪稱為張力波，張立波的波長(zhǎng)通常處于毫米數(shù)量級(jí)或毫米數(shù)量級(jí)以下。 在遙感應(yīng)用領(lǐng)域，受技術(shù)和裝備的限制，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的重力波是我們主要研究的對(duì)象。由于海面波浪的波峰線可以看成與波浪傳播方向垂直的柱形母線，這樣研究重力波可以在傳播方向和垂直于波峰線方向組成的二維平面坐標(biāo)系內(nèi)，這樣得到的海面模型是一維海面模型。Mokes波浪理論是研究單個(gè)重力波的主要理論工具。通過研究單個(gè)重力波的產(chǎn)生和傳播規(guī)律作為海面建模的基礎(chǔ)。Stokes波浪理論利用一系列的數(shù)學(xué)微分方程來表征單個(gè)重力波的產(chǎn)生和發(fā)展，從而建立重力波時(shí)空參量的方程。這里用到的一系列數(shù)學(xué)微分方程被稱為波浪管理方程。利用數(shù)學(xué)理論無法求解管理方程的精確解析解，現(xiàn)有的解決辦法是利用擾動(dòng)近似法來求水波的近似解。管理方程擾動(dòng)近似解可以分為一階、二階、高階三種，管理方程近似解的求解過程具體描述如下a) 一階解利用擾動(dòng)分解方法對(duì)管理方程進(jìn)行分解，并對(duì)得到的方程進(jìn)行線性化處理，即只保留擾動(dòng)分解方程中的一階微分項(xiàng)，忽略二階及二階以上的微分項(xiàng)，這樣管理方程轉(zhuǎn)化為由線性方程組成一個(gè)線性方程組。求解線性化的管理方程組而得到的近似解被稱為水波一階解，也稱為水波線性解。由于管理方程描述的是單個(gè)重力波的產(chǎn)生和傳播規(guī)律， 所以水波線性解是對(duì)單個(gè)重力波的波形的描述。水波線性解是非常簡(jiǎn)單諧波形式，即Ii1 = Acosq，其中A表示單個(gè)重力波幅度，q = kx~wt是單個(gè)重力波的相位，ω是單個(gè)重力波的角頻率，k是單個(gè)重力波的波數(shù)，X是在所觀測(cè)海面的二維平面坐標(biāo)系中觀測(cè)點(diǎn)的水平坐標(biāo)位置，t為觀測(cè)時(shí)間，通常取t = 0，這時(shí)是表示估計(jì)海面散射系數(shù)的時(shí)刻即為觀測(cè)的開始時(shí)間。b) 二階解利用擾動(dòng)分解方法對(duì)管理方程進(jìn)行分解，保留擾動(dòng)分解方程中的一階及二階微分項(xiàng)，忽略三階及三階以上的微分項(xiàng)，這樣管理方程轉(zhuǎn)化為由二階微分方程組成的非線性微分方程組。求解這種非線性的管理方程組而得到的近似解被稱為水波的二階解。水波二階解相較水波線性解具有比較復(fù)雜的波形式，符合水波二階解的波浪具有波峰高而尖，波谷平而寬的波形特點(diǎn)，這種波峰和波谷的不對(duì)稱特征是海面非線性的一種外在表現(xiàn)形式。c)高階解利用擾動(dòng)分解方法對(duì)管理方程進(jìn)行分解，保留擾動(dòng)分解方程中的一階、二階及N階微分項(xiàng)，忽略(N+1)階及(N+1)階以上的微分項(xiàng)，這樣管理方程轉(zhuǎn)化為由N 階微分方程組成的非線性微分方程組。求解這種非線性的管理方程組而得到的近似解被稱為水波的N階解。水波的高階解波形比較復(fù)雜，波峰會(huì)出現(xiàn)突變，得到的波形被稱為畸形波。在海洋工程應(yīng)用中，管理方程高階解通常只考慮三階和五階管理方程解，并研究三階和五階解的相關(guān)波浪性質(zhì)。傳統(tǒng)方法在對(duì)海面電磁散射系數(shù)進(jìn)行估計(jì)的過程中，海面的建模方法是基于方法 a)中得到的水波一階解來對(duì)海面重力波進(jìn)行描述，然后通過調(diào)整波長(zhǎng)和幅度得到不同尺度的重力波并進(jìn)行線性疊加而得到海面模型。由于上述的建模過程是以水波的線性解為基礎(chǔ)，我們稱這種模型為海面的線性模型。但是這種海面建模方法無法表征海面波浪的非線性特征，即波峰和波谷在波形上的差異，因此利用線性海面建模方法得到的海面電磁散射系數(shù)估計(jì)值也是不夠精確的。在得到海面模型后，對(duì)于海面電磁散射系數(shù)的計(jì)算包括三種算法，即Kirchhoff 近似，微擾法和雙尺度三種算法。其中Kirchhoff近似是最簡(jiǎn)單，效率高，最常用的算法。 Kirchhoff近似算法通常適用于高頻入射的情況，一般入射波頻率高于IGHz的海面電磁散射通常應(yīng)用Kirchhoff近似，而微擾法和雙尺度算法適用于入射波頻率較低情況下的電磁散射計(jì)算。低于IGHz的入射電磁波可以應(yīng)用微擾法和雙尺度算法。本發(fā)明我們推導(dǎo)基于新的非線性海面模型的KirchhofT近似方法來估計(jì)非線性海面的電磁散射系數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上問題，本發(fā)明提出了一種新的非線性海面分形模型，這種海面模型以水波的二階解為基礎(chǔ)。新的海面模型可以反映出波浪的波峰波谷不對(duì)稱的非線性特征，然后基于此非線性模型利用KirchhofT近似方法計(jì)算海面的電磁散射系數(shù)，最終得到較線性模型更準(zhǔn)確的海面散射系數(shù)估計(jì)值?；诜蔷€性一維海面分形模型的電磁散射系數(shù)估計(jì)方法，其特征在于，包括下列步驟步驟1 選定待觀測(cè)的海面區(qū)域，對(duì)于海面觀測(cè)區(qū)域有如下要求a)該海面觀測(cè)區(qū)域要求為開域海面，并且在觀測(cè)區(qū)域以及觀測(cè)區(qū)域以外大于海面波長(zhǎng)的范圍內(nèi)不存在障礙物，所述障礙物包括建筑、船只；b)海面觀測(cè)區(qū)域的海床在時(shí)間和空間上變化緩慢，即在時(shí)間上海床是時(shí)不變的或者變化非常緩慢；在空間上海床形狀比較平坦；步驟2 提取該海面觀測(cè)區(qū)域的水波參數(shù)，包括最大波數(shù)值Iv幅度A，水深h，作為優(yōu)選的方案，本發(fā)明中采用如下方法提取該海面觀測(cè)區(qū)域的水波參數(shù)a)單個(gè)波數(shù)k的選擇為波浪最大波長(zhǎng)的倒數(shù)乘以2倍圓周率，最大波數(shù)值1 的觀測(cè)方法是在10分鐘觀測(cè)時(shí)間內(nèi)每30秒鐘記錄一次波浪最大波長(zhǎng)，計(jì)算波浪最大波長(zhǎng)的倒數(shù)再乘以2倍圓周率獲得相應(yīng)波數(shù)，然后將記錄的波數(shù)按從大到小次序排列后，取前面1/3 波數(shù)的平均值作為最終的最大波數(shù)值h；b)幅度A的取值為所觀測(cè)海面區(qū)域在10分鐘觀測(cè)時(shí)間內(nèi)記錄的波高值按從大到小次序排列后，取前面1/3個(gè)波高的平均值；c)水深h的取值為所觀測(cè)海面區(qū)域以5米距離為間隔取水深值后取平均值；步驟 3 步驟3-1 對(duì)于單個(gè)波浪的海面水位高度η，兩種海面波浪的表達(dá)式如下，其中k 是單個(gè)波浪的波數(shù)a)對(duì)于有限水深即h < 100米情況下的水波二階波浪方程
權(quán)利要求
1.基于非線性一維海面分形模型的電磁散射系數(shù)估計(jì)方法，其特征在于，包括下列步驟步驟1 選定待觀測(cè)的海面區(qū)域，對(duì)于海面觀測(cè)區(qū)域有如下要求a)該海面觀測(cè)區(qū)域要求為開域海面，并且在觀測(cè)區(qū)域以及觀測(cè)區(qū)域以外大于海面波長(zhǎng)的范圍內(nèi)不存在障礙物，所述障礙物包括建筑、船只；b)海面觀測(cè)區(qū)域的海床在時(shí)間和空間上變化緩慢，即在時(shí)間上海床是時(shí)不變的或者變化非常緩慢；在空間上海床形狀比較平坦；步驟2 提取該海面觀測(cè)區(qū)域的水波參數(shù)，包括最大波數(shù)值1 ，幅度A，水深h 步驟3 步驟3-1 對(duì)于單個(gè)波浪的海面水位高度η，兩種海面波浪的表達(dá)式如下，其中k是單個(gè)波浪的波數(shù)a)對(duì)于有限水深即h < 100米情況下的水波二階波浪方程
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非線性一維海面分形模型的電磁散射系數(shù)估計(jì)方法，其特征在于，步驟4中選定觀測(cè)海面區(qū)域的海浪譜應(yīng)用PM譜；PM譜有如下表達(dá)形式
3.根據(jù)權(quán)利要求2述的基于非線性一維海面分形模型的電磁散射系數(shù)估計(jì)方法，其特征在于，采用距離海面19. 5米處的風(fēng)速U19. 5 ;U19. 5的測(cè)量是在預(yù)定時(shí)間內(nèi)在海面高度 19. 5米處測(cè)量風(fēng)速的平均值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3述的基于非線性一維海面分形模型的電磁散射系數(shù)估計(jì)方法，其特征在于，步驟5利用PM海浪譜計(jì)算海面的標(biāo)準(zhǔn)差的方法如下
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于非線性一維海面分形模型的電磁散射系數(shù)估計(jì)方法，其特征在于，步驟6中，海面分形模型的尺度因子b和海面的分形維度s，通過求解如下兩個(gè)方程(1)和(2)獲得，方程(1)為
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于非線性一維海面分形模型的電磁散射系數(shù)估計(jì)方法，其特征在于，步驟6中，Nf通常預(yù)設(shè)為10到25之間的整數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于非線性一維海面分形模型的電磁散射系數(shù)估計(jì)方法，其特征在于，步驟7中，使用相關(guān)長(zhǎng)度ξ ^的上確界X1；作為ξ C1，從而獲得2L的值。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于非線性一維海面分形模型的電磁散射系數(shù)估計(jì)方法，其特征在于，利用KirchhofT近似算法來計(jì)算海面的散射系數(shù)，方法如下1)利用KirchhofT近似計(jì)算海面散射系數(shù)g為
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于非線性一維海面分形模型的電磁散射系數(shù)估計(jì)方法，其特征在于，取mn為大于等于-M且小于等于M的整數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于非線性一維海面分形模型的電磁散射系數(shù)估計(jì)方法，其特征在于，步驟2中采用如下方法提取該海面觀測(cè)區(qū)域的水波參數(shù)，包括最大波數(shù)值 kQ，幅度A，水深h a)單個(gè)波數(shù)k的選擇為波浪最大波長(zhǎng)的倒數(shù)乘以2倍圓周率，最大波數(shù)值1 的觀測(cè)方法是在10分鐘觀測(cè)時(shí)間內(nèi)每30秒鐘記錄一次波浪最大波長(zhǎng)，計(jì)算波浪最大波長(zhǎng)的倒數(shù)再乘以2倍圓周率獲得相應(yīng)波數(shù)，然后將記錄的波數(shù)按從大到小次序排列后，取前面1/3波數(shù)的平均值作為最終的最大波數(shù)值h；b)幅度A的取值為所觀測(cè)海面區(qū)域在10分鐘觀測(cè)時(shí)間內(nèi)記錄的波高值按從大到小次序排列后，取前面1/3個(gè)波高的平均值；c)水深h的取值為所觀測(cè)海面區(qū)域以5米距離為間隔取水深值后取平均值。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于非線性一維海面分形模型的電磁散射系數(shù)估計(jì)方法，屬于海面電磁散射系數(shù)估計(jì)的研究領(lǐng)域，首先建立新的非線性海面分形模型，這種海面模型以水波的二階解為基礎(chǔ)，新的海面模型可反映出波浪的波峰波谷不對(duì)稱的非線性特征，然后基于此非線性模型利用Kirchhoff近似方法計(jì)算海面的電磁散射系數(shù)，最終得到較線性模型更為準(zhǔn)確的海面散射系數(shù)估計(jì)值，更加靈活的反映了不同海況的散射結(jié)果，具有估計(jì)準(zhǔn)確，運(yùn)算量小的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102306217SQ20111023095
公開日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2011年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月12日
發(fā)明者李洋, 李海莉, 白霞, 辛怡, 陶然 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)